文/崔征 郭子鳴 張繼鵬

一、引言

建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，是我國為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而作出的戰(zhàn)略抉擇。節(jié)約資源是創(chuàng)建資源節(jié)約型社會(huì)的重要組成部分。自20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)以來，各國專家對(duì)各用能領(lǐng)域的節(jié)能潛力進(jìn)行研究，結(jié)果表明，建筑用能是節(jié)能潛力最大的用能領(lǐng)域，應(yīng)將其作為節(jié)能工作的重點(diǎn)。我國要切實(shí)推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)走上綠色、循環(huán)、低碳的科學(xué)發(fā)展軌道，推動(dòng)綠色建筑各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)措施的落地實(shí)施，使各類型建筑達(dá)到“近零能耗”的理想狀態(tài)。目前，我國在建筑節(jié)能技術(shù)方面已經(jīng)取得了一定的成果，但在建筑設(shè)計(jì)中的節(jié)能應(yīng)用領(lǐng)域卻存在兩大問題：一是傳統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)工作量大，計(jì)算復(fù)雜，準(zhǔn)確性較差，效率低下，難以大規(guī)模應(yīng)用。二是傳統(tǒng)的建筑能耗模擬具有滯后性，往往在施工圖階段才進(jìn)行能耗分析，忽略了方案設(shè)計(jì)階段節(jié)能設(shè)計(jì)的重要性，對(duì)于建筑朝向、選址不同造成的能耗差異評(píng)估度有限，到施工圖階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)短板，此時(shí)再對(duì)方案設(shè)計(jì)作出調(diào)整就較為困難了。因此，學(xué)界把綠色建筑的研究方向轉(zhuǎn)向了綠色BIM，其中Ecotect軟件可有效輔助建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，在最初的方案設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑性能的各個(gè)方面進(jìn)行綠色度分析與改進(jìn)，并給出快速準(zhǔn)確的反饋與對(duì)比，能有效補(bǔ)齊傳統(tǒng)綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的短板，為綠色建筑的發(fā)展提供技術(shù)支持。

二、Ecotect軟件概述

（一）Ecotect的優(yōu)越性

相關(guān)學(xué)者對(duì) Energy Plus、Trace600、Sun-Break、Ecotect等建筑能耗模擬軟件的可視性、圖像化、操作性、準(zhǔn)確度等性能進(jìn)行量化對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)Ecotect各個(gè)方面均為最優(yōu)。在誤差值方面，Ecotect模擬公共建筑耗電量的誤差僅為4.12%-5.68%，在諸多軟件中處于領(lǐng)先地位。因此，可以認(rèn)為 Ecotect是一款非常優(yōu)秀的建筑性能分析模擬軟件，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

（二）Ecotect主要功能應(yīng)用

Ecotect軟件性能較為全面，即時(shí)性和操作性極佳。同為Autodesk公司研發(fā)的設(shè)計(jì)軟件，Revit建模軟件能與Ecotect進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)傳輸與對(duì)接，Revit軟件建模完成后，能將模型導(dǎo)入Ecotect軟件中進(jìn)行能耗模擬分析，只需調(diào)試相關(guān)的氣象資料、材質(zhì)結(jié)構(gòu)等參數(shù)，即可對(duì)建筑方案的光環(huán)境、聲環(huán)境、熱環(huán)境、可視度等進(jìn)行模擬分析，得到反饋信息后對(duì)方案的綠色度進(jìn)行優(yōu)化（圖1）。

1.熱工性能分析。熱工性能分析結(jié)果包括逐時(shí)溫度曲線、逐時(shí)得熱/熱損失、逐月能耗/不舒適度、溫度分布、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、間接太陽得熱、直接太陽得熱、通風(fēng)得熱、內(nèi)部得熱、區(qū)域間得熱、被動(dòng)式組分得熱、溫度/得熱比較、逐月度日數(shù)等。

2.日照分析。日照分析功能包含日照陰影分析、太陽軌跡圖分析以及基于此的遮擋分析與遮陽的優(yōu)化設(shè)計(jì)等多方面的內(nèi)容。其中最具價(jià)值的應(yīng)用是通過日照分析進(jìn)行百葉窗的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在被動(dòng)式建筑的采光設(shè)計(jì)中，這種應(yīng)用被經(jīng)常使用。

3.聲學(xué)設(shè)計(jì)。Ecotect使用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)計(jì)算混響時(shí)間，并利用幾何聲學(xué)避免出現(xiàn)聲學(xué)瑕疵，以便得到最佳的聲學(xué)效果。

4.可視化分析。分析結(jié)果包括規(guī)劃可視度與室內(nèi)可視度分析。

圖1 Ecotect主要功能板塊

三、 基于ECOTECT的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步驟

（一）Revit模型導(dǎo)入Ecotect的方法

1.模型的處理。

（1）將搭建好的Revit模型導(dǎo)入Ecotect。在導(dǎo)入Ecotect前，需要在Revit中刪除模型內(nèi)的各種多余構(gòu)件，包括各種裝飾構(gòu)件，樓梯、扶手等其他與建筑節(jié)能采光、日照、聲學(xué)計(jì)算無關(guān)的構(gòu)件，留下屋頂、內(nèi)墻、外墻、樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以及窗、門、洞口等。

（2）需要用到Revit的體積功能。在設(shè)置體積時(shí)，要檢查每個(gè)功能區(qū)域是否均有體積充滿整個(gè)區(qū)域。較為便捷的方法是在右下角框選所有文件，檢查房間區(qū)域是否包含所有空間，沒有白色區(qū)域，即為充滿。在設(shè)置體積時(shí)，盡可能將體積高度設(shè)為實(shí)際高度的2-3倍，以避免出現(xiàn)體積沒有充滿的情況。

（3）單擊Revit左上角圖標(biāo)，導(dǎo)出gbxml文件。gbxml格式的文件主要可以用來分析建筑的熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、太陽輻射等，設(shè)置好后應(yīng)保存至指定文件夾。需要注意的是，Revit軟件構(gòu)建的建筑信息模型默認(rèn)是rvt格式的，rvt格式的文件與Ecotect軟件存在傳輸壁壘，所以只有將rvt文件轉(zhuǎn)存為gbxml文件，才能實(shí)現(xiàn)二者間的數(shù)據(jù)傳輸，但此時(shí)模型將丟失大量數(shù)據(jù)，后續(xù)需要在Ecotect軟件中進(jìn)行完善。

2.模型的導(dǎo)入。在Ecotect軟件界面上選擇“文件-導(dǎo)入-模型/分析資料”。在彈出的對(duì)話框中將文件類型選為“xml ( *.xml) ”，單擊“選擇文件”選項(xiàng)，選擇要導(dǎo)入的xml文件。Revit劃分的不同的房間區(qū)域可以在導(dǎo)出的xml文件中被識(shí)別。選擇所有的區(qū)域，將其根據(jù)區(qū)域的名字命名，相關(guān)模型被正確導(dǎo)入，每個(gè)房間都處于一個(gè)區(qū)域之中,模型導(dǎo)入便完成了。

（二）日照與采光分析

1.遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)地區(qū)的氣候特征選擇合適的遮陽形式，對(duì)模型的窗戶建立相應(yīng)的遮陽模型，通過調(diào)節(jié)遮陽設(shè)施的尺寸與角度等調(diào)節(jié)遮陽效果?？梢耘c室內(nèi)采光設(shè)計(jì)相結(jié)合，通過采光系數(shù)計(jì)算并判斷遮陽效果，從而選擇最優(yōu)遮陽設(shè)計(jì)。

2.室內(nèi)天然采光設(shè)計(jì)。開啟分析網(wǎng)格，在分析網(wǎng)格面板中點(diǎn)擊“網(wǎng)格管理”按鈕打開分析網(wǎng)格管理器對(duì)話框，確認(rèn)單元數(shù)量中的X、Y、Z數(shù)值，單元數(shù)量個(gè)數(shù)越多，分析越精確。

選擇采光系數(shù)與照度計(jì)算，把天空照明模型選為CIE全陰天，然后根據(jù)建筑所處的光氣候區(qū)填入天空照度。計(jì)算完畢后，程序會(huì)按數(shù)值大小以不同的顏色將采光系數(shù)等計(jì)算結(jié)果顯示在分析網(wǎng)格之上，可將采光系數(shù)與綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比，以優(yōu)化天然采光設(shè)計(jì)。

（三）熱環(huán)境分析

1.模型處理。模型要符合要求，必須確?？臻g封閉、相鄰空間的材質(zhì)可選項(xiàng)不沖突。軟件無法建?；蛘吣Ｐ偷腻e(cuò)誤無法解決時(shí)，需恰當(dāng)?shù)馗鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)簡化模型。

2.設(shè)置材質(zhì)。在材質(zhì)庫中設(shè)置墻體、門、窗、天花板等構(gòu)件的相關(guān)屬性與構(gòu)造層等參數(shù)，選中模型中的構(gòu)件，添加相關(guān)材質(zhì)。

3.區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置。在區(qū)域管理器中設(shè)置室內(nèi)設(shè)計(jì)條件（著衣量、濕度、風(fēng)速）、人員數(shù)量與活動(dòng)程度，以及HVAC中的系統(tǒng)類型和運(yùn)行時(shí)間表。

4.載入氣象資料。在“區(qū)域／指標(biāo)”工具條中點(diǎn)擊“氣候”，載入氣象資料，打開專用的中國氣象數(shù)據(jù)庫，其中包含中國386個(gè)城市的氣象資料，可選擇相關(guān)城市加以載入。

5.執(zhí)行計(jì)算與分析。點(diǎn)擊“熱環(huán)境分析”執(zhí)行計(jì)算，然后進(jìn)入分析頁面，選擇“熱環(huán)境計(jì)算”選項(xiàng)欄中的14項(xiàng)分析結(jié)果進(jìn)行查看，得出相關(guān)結(jié)論，輔助節(jié)能設(shè)計(jì)。

（四）最佳朝向分析

打開Ecotect中的選項(xiàng)欄工具，執(zhí)行氣候分析工具Weather tool,在對(duì)話框中導(dǎo)入當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，點(diǎn)擊太陽位置中的最佳朝向，選擇全年溫度過低與過熱的月份，通過計(jì)算，能夠獲得本地的相對(duì)最佳建筑朝向。通過調(diào)整建筑朝向設(shè)計(jì)，改善室內(nèi)熱舒適度，降低建筑能耗。

(五)太陽輻射分析

通過設(shè)置分析網(wǎng)格，可以把網(wǎng)格設(shè)置在建筑物屋頂或者建筑物地面外圍，然后執(zhí)行計(jì)算功能中的時(shí)均太陽輻射計(jì)算，計(jì)算某一天在周圍建筑遮擋情況下的建筑物太陽輻射量，以此加強(qiáng)對(duì)太陽能的利用，減少夏季建筑物周圍的熱量以降低建筑能耗。

圖2 Ecotect實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)的步驟

四、 案例分析

該工程是一座兩層的室內(nèi)游泳館，位于河北省省會(huì)石家莊市。該地區(qū)是典型的溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，多大風(fēng)，日照充足。

（一）模型處理并導(dǎo)入

用Revit建立相應(yīng)模型。為了準(zhǔn)確地導(dǎo)入Ecotect進(jìn)行能耗模擬分析，需要預(yù)先對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，然后保存為gbxml文件，再通過設(shè)置導(dǎo)入Ecotect中，導(dǎo)入后的3D模型如圖3所示。

圖3 游泳館BIM模型

（二）遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)

石家莊地區(qū)夏季炎熱，日照充足，該游泳館白天使用自然采光，但夏季應(yīng)盡量避免陽光的直接入射，以減少太陽輻射熱，防止室內(nèi)游泳池過熱而產(chǎn)生眩光以及設(shè)備間因日照過多而產(chǎn)生機(jī)器過熱等問題，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)泳池側(cè)窗與設(shè)備間的窗戶設(shè)置外遮陽裝置。

在外遮陽裝置中，水平遮陽形式能遮擋高度角較大的從窗戶上方射來的陽光，適用于朝南及其附近朝向的窗戶，垂直遮陽形式是在窗的兩側(cè)設(shè)置一定寬度的垂直方向的遮陽板，能夠遮擋從窗戶兩側(cè)斜射進(jìn)來的陽光，適用于偏西朝向的窗戶。該游泳館泳池兩側(cè)窗戶為南北方向，南向側(cè)窗安裝水平百葉遮陽裝置較為合適。設(shè)備間要注意散熱，減少熱輻射，應(yīng)當(dāng)在西向窗戶安裝垂直遮陽板以減少太陽西曬產(chǎn)生的熱量。

利用Ecotect的建模功能給窗戶建立百葉。先在泳池南側(cè)某一窗戶上建立一個(gè)百葉，在百葉被選定的狀態(tài)下，通過菜單欄創(chuàng)建副本，連續(xù)按Ctrl+D,完成百葉復(fù)制，南向窗戶的水平百葉完成（圖4）。由于所有百葉都是聯(lián)動(dòng)的副本，只要調(diào)整第一個(gè)百葉的角度與尺寸，其余的百葉也會(huì)隨之變化。雙擊第一個(gè)百葉，選擇百葉上距墻遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)作為調(diào)節(jié)點(diǎn)，按Z鍵，百葉會(huì)向上調(diào)整，按Shift+Z，百葉會(huì)向下調(diào)整，按Y鍵，百葉會(huì)向內(nèi)收縮，按Shift+Y，百葉會(huì)向外拉伸。這兩種操作配合可以得到優(yōu)化的百葉寬度與傾斜角度。然后，使用同樣的方法建立設(shè)備間窗戶的垂直遮陽板(圖4），調(diào)整遮陽板的出挑長度。

圖4 遮陽百葉設(shè)計(jì)

圖5 遮陽效果圖

載入石家莊市冬至日的氣象資料，進(jìn)入投影設(shè)置，依據(jù)日運(yùn)行軌跡，將時(shí)間設(shè)置為中午十二點(diǎn)整，觀察泳池南墻與設(shè)備間遮陽效果（圖5）。對(duì)遮陽效果的詳細(xì)模擬分析，需要配合室內(nèi)采光模擬進(jìn)行。從建立與調(diào)整水平百葉的過程中可以體會(huì)如何使用Ecotect進(jìn)行直觀的遮陽板設(shè)計(jì)，用其取代繁瑣的建筑物理公式計(jì)算，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足與需要改進(jìn)之處，進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)，減少熱輻射，降低游泳館空調(diào)負(fù)荷與建筑能耗。

（三）熱環(huán)境分析

1.設(shè)置材質(zhì)。由于Revit與Ecotect之間存在著一定的數(shù)據(jù)傳輸壁壘，需先將Revit建立的rvt模型保存為gbxml格式的文件，然后導(dǎo)入Ecotect進(jìn)行能耗分析。在傳輸?shù)倪^程中，大量數(shù)據(jù)尤其是材質(zhì)信息丟失嚴(yán)重，所以在進(jìn)行熱環(huán)境分析時(shí)，需要在Ecotect中重新設(shè)置材質(zhì)。

2.區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置。區(qū)域?qū)傩灾饕▍^(qū)域中的系統(tǒng)類型、人數(shù)以及活動(dòng)（運(yùn)行）時(shí)間表等內(nèi)容，主要通過區(qū)域管理器進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)游泳館運(yùn)行的實(shí)際狀況，分別設(shè)置人員的著裝狀況（泳裝）、相對(duì)濕度（60%)、風(fēng)速（0.5m/s）、照度（300Lux)、人員活動(dòng)狀況(游泳)、人員的內(nèi)部輻射狀況、時(shí)間表（14:00-22:00）。當(dāng)區(qū)域?qū)傩愿鶕?jù)實(shí)際情況設(shè)置完成后，可以進(jìn)入熱環(huán)境分析環(huán)節(jié)。

3.熱工分析。首先將中國熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫下載并添加至Ecotect中，導(dǎo)入石家莊市的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐時(shí)溫度分析，將日期設(shè)置為全年最熱的一天，然后計(jì)算并顯示游泳館24小時(shí)內(nèi)溫度逐時(shí)變化情況。游泳館某些區(qū)域的溫度與外部溫度相差較大，這說明該區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效果亟待改善。接著計(jì)算分析逐月能耗，經(jīng)過分析可知該游泳館在冬季的能耗較大，遠(yuǎn)大于其在夏季的能量耗損。因此，游泳館在6-8月份制冷，其余月份加熱，冬季要特別注重保溫隔熱，防止熱量損失。此外，還可以對(duì)游泳館的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱進(jìn)行分析。游泳館室外溫差較大造成夏季白天得熱嚴(yán)重，冬季夜晚失熱嚴(yán)重，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)選用保溫性能良好且蓄熱性能良好的材料，以平衡晝夜熱損失。

五、結(jié)論

本文介紹了Ecotect的相關(guān)功能與實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)的步驟，并利用工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證分析，充分證實(shí)Ecotect軟件在綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用價(jià)值。然而，我國目前由于BIM技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不完善、數(shù)據(jù)交換受限，Revit的rvt文件與Ecotect軟件之間存在著數(shù)據(jù)傳輸?shù)木薮笳系K，只能將rvt文件簡化成gbxml文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，造成了大量模型數(shù)據(jù)的丟失，從而影響后續(xù)的能耗分析與節(jié)能設(shè)計(jì)的精確度。因此，完善我國BIM技術(shù)規(guī)范與模型標(biāo)準(zhǔn)，加快BIM插件的研發(fā)，成為下一步工作的重點(diǎn)。